高パフォーマンス ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池の開発

要約

ここでは、高 Si 少数キャリア寿命の高性能ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池を開発するためのプロトコルを提案する.

要約

ショックレー現在に超えた Si 系太陽電池の効率を改善するために最適なパス III V 系太陽電池でそれらを統合することです。この作品は、高 Si 少数キャリア寿命と高結晶品質エピタキシャル成長層がギャップの高パフォーマンス ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池を紹介します。リン (P) を適用することによってことを示した-Si 少数キャリア寿命は分子線エピタキシー法 (MBE) のギャップ成長中に手入れの行き届いた、Si 基板に拡散層と罪_x層。成長条件を制御することにより P リッチ Si 表面のギャップの高結晶品質を育った。映画の質は、原子間力顕微鏡および高分解能 x 線回折によって特徴付けられます。さらに、_x MoO の大幅な増加につながった穴選択的接触として実装されました、短絡電流密度。ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池の達成の高いデバイスのパフォーマンスは、Si 系太陽電池の性能の更なる向上のためパスを確立します。

概要

全体的な太陽電池効率^1,2を強化するために異なる格子不整合材料の統合には継続されています。III-V/Si 集積化には、さらに現在の Si 太陽電池の効率を向上し、多接合太陽電池用 Si 基板 (GaAs、Ge) など高価な III-V 基板に置き換える可能性があります。すべて III-V 族バイナリ材料システム、間でリン化ガリウム (ギャップ) Si と高間接バンド ギャップ最小格子不整合 (〜 0.4%) があり、この目的のため良い候補者です。これらの機能は、Si 基板とのギャップの高品質の統合を有効にできます。ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池がギャップと Si の間ユニークなバンド オフセットの恩恵によって従来パッシベーションエミッタ後部 Si 太陽電池^3,4の効率を高めることができること理論的に示されている (∆E_v~1.05 eV および ∆E_c ~0.09 eV)。これはギャップにシリコン太陽電池用有望な電子選択的接触を行う.ただし、高パフォーマンス ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池を実現するために高 Si バルク寿命と品質ギャップ/Si インターフェイス必要です。

分子線エピタキシー (MBE) と有機金属気相成長 (MOVPE) 法による Si 基板上の III-V 族材料の成長の間に Si の寿命が大幅に低下観測されている広く^5,6,7,8,9. 寿命劣化に対して、原子炉内で Si ウエハの熱処理中に発生する主に、エピタキシャル成長¹⁰前に表面酸化脱離および/または表面再構成に必要なことが明らかにされました。この劣化のせいにしたいた成長炉^5,7由来の汚染物質の外部拡散。いくつかのアプローチは、この Si 寿命劣化を抑制する提案されている.筆者らは, Si 寿命劣化を大幅抑制できる 2 つの方法を説明してきました。最初のメソッドは、罪_x拡散バリア⁷と Si 基板をゲッタリング エージェント¹¹ P 拡散層を導入することで二つ目の導入によって示されました。

この作品で高パフォーマンス ギャップ/Si 太陽電池シリコン バルク寿命劣化を軽減するために前述のアプローチに基づくを説明してきました。Si の寿命を維持するために使用される技術は、アクティブな Si 下部セルと高移動度 CMOS などの電子機器の多接合太陽電池の広範なアプリケーションを使用できます。この詳細なプロトコル、ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池、Si ウェハ洗浄を含む P 拡散炉、格差の拡大、および処理、ギャップ/Si 太陽電池の作製の詳細が掲載されています。

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プロトコル

注意: は、化学物質を取扱う前にすべての関連化学物質等安全データ シート (MSDS) を参照してください。ヒューム フードと保護具 (保護メガネ、手袋、白衣、フルレングスのパンツ、閉じてつま先の靴) などを含む太陽電池作製を実行するときは、すべての適切な安全対策を使用してください。

1. Si ウエハの洗浄

1. ピラニア溶液中の Si ウェーハをクリーン (H₂O₂/H₂SO₄) 110 ° C で
   1. ピラニアのソリューションを生成する (高密度ポリエチレン タンクと来世) 酸性浴で埋める 15.14 L H₂のだから₄ (96%) し、H₂O₂ (30%) の 1.8 L。
   2. 110 ° C で安定させるために液の温度を待つ
   3. 4 インチ径、フローティング ゾーン (FZ)、n 型、ダブル側研磨 Si ウェーハをクリーン 4"ウェハ カセット (ポリプロピレン、来世) に、10 分間ピラニア浴でボートを置きます。
   4. (DI) の脱イオン水で 10 分間リンスします。
2. RCA 洗浄溶液 74 ° C で、Si ウェーハをクリーンします。
   1. HCl:H₂O₂の希釈液を準備します。13.2 l ・ ディ ・ H₂O と H₂O₂の 2.2 l 塩酸スパイク ソリューションの 2.2 L の酸性の浴室を記入し、ヒーターをオンします。
   2. 使用前に 74 ° C で安定する溶液の温度を待ちます。
   3. Si ウェーハをクリーン 4"ウェハ カセットに入れて、10 分間 RCA ソリューションでウェーハを配置します。
   4. 10 分間の DI 水ですすいでください。
3. バッファー酸化エッチング (BOE) ソリューション Si ウェーハをクリーンします。
   1. 酸浴中 BOE ソリューションの 15.14 L を注ぐ。
   2. 3 分間お風呂に 4"ウェハ カセットを配置します。
   3. DI 水で 10 分間リンスします。
   4. ウェハを乾燥乾燥 N₂。

2. 拡散炉中の P 拡散

1. 拡散石英ボートにきれいウエハを置きます。
2. 基本温度が 800 ° C の石英管に読み込むN₂環境で 820 の ° c の炉の温度をランプします。820 の ° c 1000 sccm にオキシ塩化リン (POCl₃) を通じてバブル N₂キャリアガスを流れるを開始します。15 分後 N₂キャリアガスを切り、サンプルをとる前に 800 ° C まで温度を上げてください。
3. リン珪酸塩からす (PSG) を削除し、DI 水で 10 分間すすぎを実行に 10 分間、BOE ソリューションにサンプルを配置します。

3 pecvd 法により罪は_xコーティング

1. きれいなボートにウェハーを入れ、表面の自然酸化膜を削除する 1 分間 BOE 浴に浸し。
2. DI 水で 10 分間リンスします。
3. 乾燥 N₂銃でウェハを乾燥させます。
4. きれいな Si キャリア (156 mm 単結晶 Si) の Si ウエハを配置します。
5. プラズマ強化化学気相堆積 (PECVD) 室にサンプルをロードします。
6. デポジット 150 nm の厚さ (38.5 s) 罪を商工会議所で 350 ° c の_x 。3.5 Torr の基本圧とシリコン源として SiH₄ 60 sccm および NH₃ N ソースとして 60 sccm で W RF 電力を 300 で罪_xを入金 (2000 N₂の sccm は、希釈剤として使用された)。
   1. 洗練されたウェーハに様々 な成膜時の SiN_x膜を堆積することにより罪_x (3.9 nm/秒) の成長率を確認し、可変角度分光エリプソメトリー (花瓶) で厚さを測定します。

4. ギャップ成長 mbe

1. 罪_x堆積後 MBE チャンバーにウェハをロードします。
2. 入門の商工会議所 (3 h の 180 ° C) でのアウトガス、バッファー室 (240 ° C 2 時間) でのアウトガスします。成長室へのロードし、850 ° c 10 分焼きます。
3. 580 ° c. への温度します。~2.71×10^-7 Torr ビーム相当圧力 (BEP) と 1250 ° c. に Si 胸水細胞の温度を生成する増加 Ga 胸水細胞の温度
4. ~1.16×10^-6 Torr BEP を達成するために p バルブ付きのクラッカー ポジショナを調整します。ジョージア州、P、および Si のシャッターを開けるし、121 続いて中断された成長法 (閉鎖 5 の s オープンと 5 s の 10 サイクル) と 25 の nm 厚ギャップを成長 unshuttered 成長の s (すなわちGa や p を開いて同時にシャッター)。
5. 200 ° C に基板温度を下げるし、真空チャンバーからサンプルをアンロードします。

5. ウェット エッチングによる n + と罪_x層を削除します。

1. HF の損傷からそれを保護するために保護テープと GaP 表面をカバーします。
2. 〜 300 mL のプラスチック ビーカーに 49 %hf 溶液を準備します。
3. 5 分罪_x層を完全に除去するため HF ソリューションにサンプルを配置します。
4. 保護テープを取り外して、純水ですすいでください N₂で乾燥します。
5. 新しい保護テープと GaP 表面をカバーします。
6. プラスチック ビーカーに HNA ソリューションを準備 (フッ化水素酸 (HF) (50 mL) 硝酸 (HNO₃) の混合物 (365 mL)、酢酸 (CH₃COOH) (85 mL)) 室温で。
   注意: 慎重に HNA GaP 表面に浸透を避けるためにソリューションのウェハを配置します。
7. 3 分間 HNA ソリューションのサンプルを置きます。
8. 保護テープをはがし、DI 水ですすいでください。N 乾燥_2.

6 裸の Si 側に穴選択的形成

1. 4 つの四分の一にダイヤモンド ペンでウェハを切断します。
2. ・ ディ ・水タンクのサンプルを徹底的に掃除します。
3. きれいに 30 の BOE 風呂のサンプル表面の自然酸化膜を削除する s。
4. DI 水でウェーハの洗浄し、N₂で乾燥します。
5. 預金を 50 nm 厚の Si: Si の有効期間を確認するサンプルの pecvd 法により H。
   1. 入金した A-si: 3.2 torr とシリコン源として SiH₄ 40 sccm の 60 W RF 電力の H 層 (H₂の 200 sccm は、希釈剤として使用された)。
   2. -Si の伸びを確認: H (1.6 nm/秒) で洗練されたウェハ上様々 な成膜時間とアモルファスシリコン薄膜を堆積し、花瓶の厚さを測定します。
6. 預金 (i) - Si (9 nm) および (p +)、Si (16 nm) pecvd 法により独立した Si 表面エッチング (フロント) 側。
   1. 3.2 torr とシリコン源として SiH₄ 40 sccm とホウ素不純物として B [CH₃]₃の 18 sccm の 37 W RF 電力で p 型アモルファスシリコン層を入金 (H₂の 197 sccm は、希釈剤として使用された)。
   2. P 型 Si (2.0 nm/秒) の成長率を確認するには、洗練されたウェハ上異なる成長時代とアモルファスシリコン薄膜を堆積し、花瓶と厚さを測定します。
7. 0.5 の堆積速度と MoO₃ (99.99%) ソースから熱蒸発によって部屋の温度で 9 nm 厚武_x層を入金 Å/秒。

7. 外部コンタクト形成

1. 預金 75 nm 厚のインジウム錫酸化物 (ITO) (₂O₃/SnO₂ = 95/5 (重量 %)、99.99%) RF スパッタリング法による試料のギャップ側の層 (1 の高周波電力 kW および 5 torr) 2.2 sccm の酸素流量で。
2. サンプルをアンロードして、それらを裏返しします。伊藤メサ成膜サンプルをメサ シャドウ マスクを使用します。
3. RF スパッタリング法で 75 nm 厚の伊藤を入金します。デポジット 200 nm 厚のシルバー (1 の高周波電力 kW および 8 torr) 指カバー指シャドウ マスク。背中に連絡としてサンプルのギャップ側 200 nm 厚の銀を沈殿物します。
4. 220 ° C での大気圧下で炉内サンプルをアニールします。

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結果

ギャップ/Si の原子間力顕微鏡 (AFM) 画像と (004) 反射と (224) 反射近傍領域逆格子マップ (RSM) ロッキング カーブを含む高解像度の x 線回折 (XRD) スキャンを収集構造 (図 1)。AFM は MBE 成長したギャップの表面の形態を特徴付けるために使用された、XRD が GaP 層の結晶品質を調べるに使用されました。この作業で使用されるメソッドを保持する有効期?...

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ディスカッション

公称 25 nm 厚 GaP 層エピタキシャルに成長 MBE による P リッチ Si 表面へ。比較的低い V/III Si 基板上 GaP 層の質の向上を成長するには、(P/Ga) 比率が望ましい。GaP 層の良い結晶質は高い導電性と再結合準位の低密度を達成するために必要です。原子間力顕微鏡根二乗平均平方根 (RMS) GaP 表面の ~0.52 nm (図 1 a) 低貫通転位密度の高い結晶品質を示すピットを持たない滑らかな表?...

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資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Hydrogen peroxide, 30%	Honeywell	10181019
Sulfuric acid, 96%	KMG electronic chemicals, Inc.	64103
Hydrochloric acid, 37%	KMG electronic chemicals, Inc.	64009
Buffered Oxide Etch 10:1	KMG electronic chemicals, Inc.	62060
Hydrofluoric acid, 49%	Honeywell	10181736
Acetic acid	Honeywell	10180830
Nitride acid, 69.5%	KMG electronic chemicals, Inc.	200288